第二章半导体材料

第二章半导体材料
• 元素：同种原子构成的最简单的物质，具 有特定的物理和化学性质
• 分子：由两个或更多的原子构成，通过化 学作用紧密束缚在一起的结构，表现为一 个独立单元
• 化合物：由两个或更多的原子构成，形成 一种性质不同于组分原子的新物质
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• 电子：各个电子占据了包含7个不同壳层的 轨道，每个壳层对应了一个特定的能级， 以从K到Q得字母来区分。
• 电离：从原子中移去电子的过程，产生了 带正电的原子或分子。
• 离子键：当价层电子从一种元素的原子转 移到另一个原子上时，形成离子键。
• 共价键：不同元素的原子共有价层电子， 原子通过共有电子来使价层完全填充而变 得稳定。
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2.1.2元素周期表 • 原子结构的规则 1、在任何原子中都有数量相等的质子和电子 2、任何元素都包括特定数目的质子，没有任
子从价带移动到导带很困难，有很低的电 导率和很高的电阻率。 半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅、氮化硅和聚 酰亚胺（一种朔料材料），净化后的去离子水也是 绝缘体。
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• 电容 电容是被电介质分隔开的两个导电极板上 的电荷存储装置。 在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层 隔开的金属层和硅基体之间都存在着电容。 介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
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IB：最好的金属导体 Cu正在取代AL的互连导体材料的位置
IVB~VIB：难熔（高熔点）金属，一般用于 半导体制造中以改善金属化（尤其 是Ti、W、Mo、Ta和Cr） 与Si反应良好，形成具有优良电学 特性的稳定化合物
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2.2材料分类 根据流经材料电流的不同可分为三类材料： • 导体 • 绝缘体 • 半导体
• 寿命：一个电子从导带移出直到复合所经历的时 间。
热能促使电子—空穴对持续不断的产生并随之复合。
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• 电导率与电阻率
材料传导电流的性质称为导电性。
用电阻率（ ）来表征材料的导电性。电阻率越低
的材料具有越好的导电性。只依赖于材料本身，与
几何形状无关。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米
VA：5个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主 要是P和AS）
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VIA：6个价电子 VIIA：7个价电子，容易接受电子，高负电性
腐蚀性 非常活泼 形成离子键 在某些半导体应用中有用：作为刻蚀 和清洗化合物而使用
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VIIIA：8个价电子 稳定，不活泼 惰性气体 应用在半导体制造的某些方面是安全的
何两种元素有相同数目的质子。“原子序数” 就等于原子中质子的数目。 3、有相同最外层电子数的元素有着相似的性 质。
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4、最外层被填满或者拥有8个电子的元素是 稳定的，在化学性质上比最外层未填满的 原子更稳定。
5、原子会试图与其他原子结合而形成稳定的 条件。
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2.1.3硅片制造中一般化学元素的族特性 IA ：一个价电子，容易失去，低负电性
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• 空穴：电子的移去在电子价带中留下一个空 位
• 电子—空穴对：每个导带电子必定存在一个价带 空穴与之对应，价带电子能够跃 入空穴的位置，从而推动电子的 移动和导电。这种状态称之为电 子—空穴对。
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• 复合：在成为导带自由电子不久，电子即失去能 量并跌入价带的空穴中，这个过程称为复 合。
以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。用公
式表示：
1
C
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• 电阻 电阻：阻碍电流流动并伴随着热消耗。
R
l
面积
硅片制造中特征尺寸的减小使电阻成为一个重要 参数。更小的尺寸引起互连线的电阻增加，增加 了非理想效应的热损耗。
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2.2.2绝缘体 绝缘体：有很大的禁带宽度分隔开价带和导带，电
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• 概述 了解原子的结构和结合是认识硅扮演着半 导体材料重要角色的关键。掌握这些知识， 为理解简单的半导体器件如何能充当复杂 微芯片世界的一部分提供了基础。
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• 目标 通过本章学习，能够： 1.能够列出至少三种半导体材料 2.解释电阻率、电阻和电容，讨论它们在芯
片制造中的重要性 3.解释N型和P型半导体材料在组成和电性能
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2.2.1导体 导体：价带与导带交叠，电子从价带移动到导带只
需很小的能量。 在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子， 容易失去。金属典型地具有这种价电子层结构。 在一般的半导体制造中，铝是最普通的导体材 料，用来充当器件之间的互联线，而钨可作为金属 层之间的互连材料。 铜是优质金属导体的一个例子，最近被引入到硅 片制造中取代铝。
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
不稳定 非常活泼，爆炸性 形成离子键 由于污染问题，不推荐使用这族金属
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IIA：2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属
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IIIA：3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要 是B） 普通的互连导电材料（AL）
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IVA：4个价电子 半导体材料 形成共价键
方面的不同 4.讨论以砷化镓为重点的其它半导体材料
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2.1原子结构 ➢自然界中任何事物都是由96种稳定元素和
12种不稳定元素组成的。不同原子结构决 定了不同的元素特性。 ➢著名物理学家尼尔斯·玻尔最早把原子的基 本结构用于解释Biblioteka Baidu同元素的不同物理、化 学和电性能。
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2.1.1玻尔原子模型 带正电的质子和不带电的中子集中在原子 核中，带负电的电子围绕原子核在固定的 轨道上运动。 带正电的质子和带负电的电子之间存在着 吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运动 的离心力相抵，这样原子结构就稳定了。 每个轨道容纳的电子数量是有限的。当一 个特定的电子轨道被填满后，其余的电子 就必须填充到下一个外层轨道上。